Dosimétrie des rayonnements

La détection des neutrons est très spécifique, car les neutrons étant des particules électriquement neutres,  ils sont donc principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Généralement, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur semi-conducteur, etc.).

Convertisseurs de neutrons

À cet effet, deux types fondamentaux d’interactions neutroniques avec la matière sont disponibles:

• Diffusion élastique . Le neutron libre peut être diffusé par un noyau, transférant une partie de son énergie cinétique au noyau. Si le neutron a suffisamment d’énergie pour disperser les noyaux, le noyau en recul ionise le matériau entourant le convertisseur. En fait, seuls les noyaux d’ hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. La charge produite de cette manière peut être collectée par le détecteur conventionnel pour produire un signal détecté. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode convient à la détection de neutrons rapides (les neutrons rapides n’ont pas une section efficace élevée pour l’absorption) permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur .
• Absorption des neutrons . Il s’agit d’une méthode courante permettant la détection de neutrons de l’ ensemble du spectre énergétique . Cette méthode est basée sur une variété de réactions d’absorption ( capture de rayonnement , fission nucléaire , réactions de réarrangement, etc.). Le neutron est ici absorbé par un matériau cible (convertisseur) émettant des particules secondaires telles que des protons, des particules alpha, des particules bêta, des photons ( rayons gamma ) ou des fragments de fission. Certaines réactions sont des réactions de seuil (nécessitant une énergie minimale de neutrons), mais la plupart des réactions se produisent aux énergies épithermale et thermique. Cela signifie que la modération des neutrons rapides est nécessaire, ce qui entraîne une mauvaise information énergétique des neutrons. Les noyaux les plus courants pour le matériau du convertisseur neutronique sont:
  • ¹⁰ B (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 3820 barns et que le bore naturela une abondance de ¹⁰ B 19,8%.
  • ³ Il (n, p). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 5350 barns et que l’hélium naturel a une abondance de ³ He 0,014%.
  • ⁶ Li (n, α). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 925 barns et que le lithium naturel a une abondance de ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Lorsque la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 20820 barns et que le cadmium naturela une abondance de ¹¹³ Cd 12,2%.
  • ²³⁵ U (n, fission). Lorsque la section efficace de fission pour les neutrons thermiques est σ = 585 barns et que l’uranium naturel a une abondance de ²³⁵ U 0,711%. L’uranium en tant que convertisseur produit des fragments de fission qui sont de lourdes particules chargées. Cela a un avantage significatif. Les particules lourdes chargées (fragments de fission) créent un signal de sortie élevé, car les fragments déposent une grande quantité d’énergie dans un volume sensible au détecteur. Cela permet une discrimination facile du rayonnement de fond (rayonnement gamma ei). Cette caractéristique importante peut être utilisée par exemple dans une mesure de puissance de réacteur nucléaire, où le champ neutronique s’accompagne d’un fond gamma important.

Détection de neutrons thermiques

Les neutrons thermiques sont des neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant de température 290K (17 ° C ou 62 ° F). L’énergie la plus probable à 17 ° C (62 ° F) pour la distribution maxwellienne est de 0,025 eV (~ 2 km / s). Cette partie du spectre d’énergie des neutrons constitue la partie la plus importante du spectre dans les réacteurs thermiques .

Les neutrons thermiques ont une section efficace d’absorption des neutrons différente et souvent beaucoup plus grande ( fission ou capture radiative ) pour un nucléide donné que les neutrons rapides.

En général, il existe de nombreux principes de détection et de nombreux types de détecteurs. Dans les réacteurs nucléaires, les détecteurs à ionisation gazeuse sont les plus courants, car ils sont très efficaces, fiables et couvrent une large gamme de flux neutroniques. Différents types de détecteurs à ionisation gazeuse constituent ce que l’on appelle le  système d’instrumentation nucléaire d’Excore (NIS) . Le système d’instrumentation nucléaire d’Excore surveille le niveau de puissance du réacteur en  détectant les fuites  de neutrons du cœur du réacteur.

Détection de neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les chambres d’ionisation sont souvent utilisées comme dispositif de détection des particules chargées. Par exemple, si la surface intérieure de la chambre d’ionisation est recouverte d’une fine couche de bore, la réaction (n, alpha) peut avoir lieu. La plupart des réactions (n, alpha) des neutrons thermiques sont des réactions  10B (n, alpha) 7Li  accompagnées de 0,48 MeV 

De plus, l’isotope bore-10 a une section efficace de réaction (n, alpha) élevée sur tout  le spectre d’énergie neutronique . La particule alpha provoque l’ionisation à l’intérieur de la chambre et les électrons éjectés provoquent d’autres ionisations secondaires.

Une autre méthode pour détecter les neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux   (BF ₃ ) au lieu de l’air dans la chambre. Les neutrons entrants produisent des particules alpha lorsqu’ils réagissent avec les atomes de bore dans le gaz détecteur. L’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour détecter des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il convient de noter que les  compteurs BF ₃ sont généralement utilisés dans la région proportionnelle.

Chambre de fission – Détecteurs à large plage

Les chambres à fission  sont des détecteurs à ionisation utilisés pour détecter les neutrons. Les chambres de fission peuvent être utilisées comme détecteurs de gamme intermédiaire pour surveiller le flux de neutrons (puissance du réacteur) au niveau du flux intermédiaire. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur. La conception de cet instrument est choisie pour assurer un chevauchement entre les canaux de la plage source et la pleine plage des instruments de la plage de puissance.

Dans le cas des  chambres à fission , la chambre est recouverte d’une fine couche d’ uranium 235 hautement enrichi   pour détecter les neutrons. Les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Un  neutron thermique  provoquera la fission d’ un atome d’uranium 235  , les deux  fragments de fission  produits ayant une  énergie cinétique élevée  et provoquant l’ionisation du gaz d’argon à l’intérieur du détecteur. Un avantage de l’utilisation d’un revêtement d’uranium 235 plutôt que de bore 10 est que les fragments de fission ont une énergie beaucoup plus élevée que la particule alpha issue d’une réaction au bore. Par conséquent les chambres de fission  sont  très sensibles  au flux de neutrons, ce qui permet aux chambres de fission de fonctionner dans  des champs gamma plus élevés  qu’une chambre à ions non compensée avec revêtement en bore.

Feuilles d’activation et fils de flux

Les neutrons peuvent être détectés à l’aide de feuilles d’activation et de fils de flux . Cette méthode est basée sur l’activation des neutrons, où un échantillon analysé est d’ abord irradié avec des neutrons pour produire des radionucléides spécifiques . La désintégration radioactive de ces radionucléides produits est spécifique à chaque élément (nucléide). Chaque nucléide émet les rayons gamma caractéristiques qui sont mesurés par spectroscopie gamma , où les rayons gamma détectés à une énergie particulière sont indicatifs d’un radionucléide spécifique et déterminent les concentrations des éléments.

Les matériaux sélectionnés pour les films d’activation sont par exemple:

• indium,
• or,
• rhodium,
• le fer
• aluminium  
• niobium

Ces éléments ont de grandes sections efficaces pour la capture radiative des neutrons . L’utilisation d’échantillons absorbeurs multiples permet de caractériser le spectre d’énergie neutronique. L’activation permet également de recréer une exposition historique aux neutrons. Les dosimètres d’accident de criticité disponibles dans le commerce utilisent souvent cette méthode. En mesurant la radioactivité des feuilles minces, nous pouvons déterminer la quantité de neutrons auxquels les feuilles ont été exposées.

Les fils de flux peuvent être utilisés dans les réacteurs nucléaires pour mesurer les profils de flux de neutrons des réacteurs. Les principes sont les mêmes. Le fil ou la feuille est inséré directement dans le cœur du réacteur , reste dans le cœur pendant la durée requise pour l’activation au niveau souhaité. Après l’activation, le fil ou la feuille de flux est rapidement retiré du cœur du réacteur et l’activité est comptée. Les feuilles activées peuvent également discriminer les niveaux d’énergie en plaçant un couvercle sur la feuille pour filtrer (absorber) certains neutrons de niveau d’énergie. Par exemple, le cadmium est largement utilisé pour absorber les neutrons thermiques dans les filtres à neutrons thermiques.

Détection de neutrons rapides

Les neutrons rapides sont des neutrons d’ énergie cinétique supérieurs à 1 MeV (~ 15 000 km / s). Dans les réacteurs nucléaires, ces neutrons sont généralement appelés neutrons de fission. Les neutrons de fission ont une distribution d’énergie Maxwell-Boltzmann avec une énergie moyenne (pour la fission 235U ) de 2 MeV. À l’intérieur d’un réacteur nucléaire, les neutrons rapides sont ralentis vers les énergies thermiques via un processus appelé modération neutronique . Ces neutrons sont également produits par des processus nucléaires tels que la fission nucléaire ou des réactions (ɑ, n).

En général, il existe de nombreux principes de détection et de nombreux types de détecteurs. Mais il faut l’ajouter, la détection des neutrons rapides est une discipline très sophistiquée, car la section efficace des neutrons rapides est beaucoup plus petite que dans la gamme d’énergie pour les neutrons lents. Les neutrons rapides sont souvent détectés en les modérant (ralentissant) d’abord aux énergies thermiques. Cependant, au cours de ce processus, les informations sur l’énergie d’origine du neutron, sa direction de déplacement et le temps d’émission sont perdues.

Proton Recoil – Détecteurs de recul

Les détecteurs les plus importants pour les neutrons rapides sont ceux qui détectent directement les particules de recul , en particulier les protons de recul résultant de la diffusion élastique (n, p). En fait, seuls les noyaux d’hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. Dans ce dernier cas, les particules de recul sont détectées dans un détecteur. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode convient à la détection de neutrons rapides permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur . Cette méthode permet de mesurer l’énergie du neutron avec la fluence neutronique, c’est-à-dire que le détecteur peut être utilisé comme spectromètre. Les détecteurs de neutrons rapides typiques sont les scintillateurs liquides, détecteurs de gaz rares à base d’hélium-4 et détecteurs de plastique (scintillateurs). Par exemple, le plastique a une teneur élevée en hydrogène, par conséquent, il est utile pour les détecteurs de neutrons rapides , lorsqu’il est utilisé comme scintillateur.

Spectromètre Bonner Spheres

Il existe plusieurs méthodes de détection des neutrons lents et peu de méthodes de détection des neutrons rapides. Par conséquent, une technique pour mesurer les neutrons rapides consiste à les convertir en
neutrons lents , puis à mesurer les neutrons lents. L’une des méthodes possibles est basée sur les sphères de Bonner . La méthode a été décrite pour la première fois en 1960 par Ewing et Tom W. Bonner et utilise des détecteurs de neutrons thermiques (généralement des scintillateurs inorganiques tels que ⁶ LiI) intégrés dans des sphères modératrices de différentes tailles.  Les sphères de Bonner ont été largement utilisées pour la mesure des spectres neutroniques avec des énergies neutroniques allant de thermique jusqu’à au moins 20 MeV. Un spectromètre à neutrons sphériques de Bonner (BSS) se compose d’un détecteur de neutrons thermiques, d’un ensemble de coques sphériques en polyéthylèneet deux coques de plomb en option de différentes tailles. Afin de détecter les neutrons thermiques, un détecteur ³ He ou des scintillateurs inorganiques tels que ⁶ LiI peuvent être utilisés. Les scintillateurs LiGlass sont très appréciés pour la détection des neutrons thermiques. L’avantage des scintillateurs LiGlass est leur stabilité et leur large gamme de tailles.

Détection de neutrons à l’aide d’un compteur à scintillation

Les compteurs à scintillation  sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris les compteurs portatifs de rayonnement, la surveillance du personnel et de l’environnement pour la  contamination radioactive , l’imagerie médicale, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires. Ils sont largement utilisés car ils peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident.

Les compteurs à scintillation peuvent être utilisés pour détecter  les rayonnements alpha ,  bêta et  gamma . Ils peuvent également être utilisés pour la  détection de neutrons . À ces fins, différents scintillateurs sont utilisés.

• Neutrons . Les neutrons étant  des particules électriquement neutres,  ils sont principalement soumis à de  fortes forces nucléaires  mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et ils doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).  Les neutrons rapides  (> 0,5 MeV) dépendent principalement du proton de recul dans les réactions (n, p). Matériaux riches en hydrogène, par exemple  scintillateurs plastiques, sont donc les mieux adaptés à leur détection. Les neutrons thermiques  dépendent de réactions nucléaires telles que les réactions (n, γ) ou (n, α) pour produire l’ionisation. Les matériaux tels que LiI (Eu) ou les silicates de verre sont donc particulièrement bien adaptés à la détection des neutrons thermiques. L’avantage des scintillateurs 6LiGlass est leur stabilité et leur large gamme de tailles.

Interactions des neutrons avec la matière

Les neutrons sont des particules neutres, ils voyagent donc en ligne droite , ne s’écartant de leur trajectoire que lorsqu’ils entrent en collision avec un noyau pour être dispersés dans une nouvelle direction ou absorbés. Ni les électrons entourant (nuage d’électrons atomiques) un noyau ni le champ électrique provoqué par un noyau chargé positivement n’affectent le vol d’un neutron. En bref, les neutrons entrent en collision avec les noyaux , pas avec les atomes. Une caractéristique très descriptive de la transmission des neutrons à travers la matière en vrac est la longueur moyenne du libre parcours ( λ – lambda ), qui est la distance moyenne parcourue par un neutron entre les interactions. Il peut être calculé à partir de l’équation suivante:

λ = 1 / Σ

Les neutrons peuvent interagir avec les noyaux de l’une des manières suivantes:

Il existe plusieurs formes et types de rayonnements ionisants. Le rayonnement ionisant est classé selon la nature des particules ou des ondes électromagnétiques qui créent l’effet ionisant. Ces particules / ondes ont différents mécanismes d’ionisation et peuvent être regroupées comme:

• Directement ionisant . Les particules chargées ( noyaux atomiques, électrons, positrons, protons, muons, etc. ) peuvent ioniser les atomes directement par interaction fondamentale à travers la force de Coulomb si elle transporte suffisamment d’énergie cinétique. Ces particules doivent se déplacer à des vitesses relativistes pour atteindre l’énergie cinétique requise. Même les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) grâce à l’effet photoélectrique et à l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
  • Rayonnement alpha . Le rayonnement alpha se compose de particules alpha à haute énergie / vitesse. La production de particules alpha est appelée désintégration alpha. Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. Les particules alpha sont relativement grandes et portent une double charge positive. Ils ne sont pas très pénétrants et un morceau de papier peut les arrêter. Ils ne parcourent que quelques centimètres mais déposent toutes leurs énergies le long de leurs courts trajets.
  • Rayonnement bêta . Le rayonnement bêta se compose d’électrons libres ou de positrons à des vitesses relativistes. Les particules bêta (électrons) sont beaucoup plus petites que les particules alpha. Ils portent une seule charge négative. Ils sont plus pénétrants que les particules alpha, mais un mince métal d’aluminium peut les arrêter. Ils peuvent parcourir plusieurs mètres mais déposent moins d’énergie à n’importe quel point de leur trajet que les particules alpha.
• Ionisant indirectement . Les rayonnements ionisants indirects sont des particules électriquement neutres et n’interagissent donc pas fortement avec la matière. La majeure partie des effets d’ionisation sont dus à des ionisations secondaires.
  • Rayonnement photonique ( rayons gamma ou rayons X). Le rayonnement photonique est constitué de photons de haute énergie . Ces photons sont des particules / ondes (dualité onde-particule) sans masse au repos ni charge électrique. Ils peuvent parcourir 10 mètres ou plus dans les airs. Il s’agit d’une longue distance par rapport aux particules alpha ou bêta. Cependant, les rayons gamma déposent moins d’énergie le long de leurs trajectoires. Le plomb, l’eau et le béton arrêtent le rayonnement gamma. Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, où l’électron relativement énergétique est produit. L’électron secondaire continuera à produire de multiples événements d’ ionisation , donc l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante.
  • Rayonnement neutronique . Le rayonnement neutronique se compose de neutrons libres à toutes les énergies / vitesses. Les neutrons peuvent être émis par fission nucléaire ou par désintégration de certains atomes radioactifs. Les neutrons ont une charge électrique nulle et ne peuvent pas provoquer directement l’ionisation. Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement . Par exemple, lorsque les neutrons frappent les noyaux d’hydrogène, il en résulte un rayonnement protonique (protons rapides). Les neutrons peuvent aller des particules à haute vitesse et haute énergie aux particules à basse vitesse et basse énergie (appelées neutrons thermiques). Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction.

La stabilité nucléaire est un concept qui aide à identifier la stabilité d’un isotope. Pour identifier la stabilité d’un isotope, il est nécessaire de trouver le rapport neutrons / protons. Pour déterminer la stabilité d’un isotope, vous pouvez utiliser le rapport neutron / proton (N / Z). Pour comprendre ce concept, il existe également un tableau des nucléides, connu sous le nom de tableau Segre. Ce graphique montre un tracé des nucléides connus en fonction de leur nombre atomique et neutronique. Il peut être observé sur la carte qu’il y a plus de neutrons que de protons dans les nucléides avec Z supérieur à environ 20 (Calcium). Ces neutrons supplémentaires sont nécessaires à la stabilité des noyaux plus lourds. Les neutrons en excès agissent un peu comme de la colle nucléaire.Voir aussi: Livechart – iaea.org

Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent par la force nucléaire , tandis que les protons se repoussent par la force électrique en raison de leur charge positive. Ces deux forces se font concurrence, conduisant à diverses stabilités des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables .

Les neutrons stabilisent le noyau , car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente, un rapport croissant de neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y a trop ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une décroissance radioactive . Les isotopes instables se désintègrent par diverses voies de désintégration radioactive, le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta ou la capture d’électrons. De nombreux autres types rares de désintégration, tels que la fission spontanée ou l’émission de neutrons sont connus. Il convient de noter que toutes ces voies de désintégration peuvent s’accompagner de l’émission ultérieure derayonnement gamma . Les désintégrations alpha ou bêta pures sont très rares.

Qu’est-ce que le rayonnement

La définition la plus générale est que le rayonnement est de l’énergie qui provient d’une source et se propage à travers certains matériaux ou à travers l’espace. La lumière, la chaleur et le son sont des types de rayonnement. Il s’agit d’une définition très générale, le type de rayonnement discuté dans cet article est appelé rayonnement ionisant . La plupart des gens ne relient le terme rayonnement qu’aux rayonnements ionisants, mais ce n’est pas correct. Le rayonnement est tout autour de nous. Dans, autour et au-dessus du monde dans lequel nous vivons. C’est une force d’énergie naturelle qui nous entoure. C’est une partie de notre monde naturel qui est ici depuis la naissance de notre planète. Il faut distinguer:

• Rayonnement non ionisant . L’énergie cinétique des particules ( photons , électrons, etc. ) du rayonnement non ionisant est trop faible pour produire des ions chargés lors du passage à travers la matière. Les particules (photons) n’ont que suffisamment d’énergie pour modifier les configurations de valence rotationnelle, vibrationnelle ou électronique des molécules et atomes cibles. La lumière du soleil, les ondes radio et les signaux des téléphones portables sont des exemples de rayonnement non ionisant (photons). Cependant, cela peut toujours nuire , comme lorsque vous avez un coup de soleil.

• Rayonnement ionisant . L’énergie cinétique des particules ( photons, électrons, etc. ) du rayonnement ionisant est suffisante et la particule peut ioniser (pour former des ions en perdant des électrons) des atomes cibles pour former des ions. Un simple rayonnement ionisant peut faire tomber des électrons d’un atome.

La frontière n’est pas clairement définie, car différentes molécules et atomes s’ionisent à différentes énergies. Ceci est typique des ondes électromagnétiques. Parmi les ondes électromagnétiques appartiennent, par ordre croissant de fréquence (énergie) et décroissant la longueur d’onde: les ondes radio, les micro-ondes, le rayonnement infrarouge, la lumière visible, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Les rayons gamma, les rayons X et la partie ultraviolette supérieure du spectre sont ionisants, tandis que les ultraviolets inférieurs, la lumière visible (y compris la lumière laser), l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio sont considérés comme des rayonnements non ionisants.

Noyaux stables – Noyaux instables

Une stabilité nucléaire est déterminée par la compétition entre deux interactions fondamentales. Les noyaux atomiques sont constitués de protons et de neutrons, qui s’attirent par  la  force nucléaire , tandis que les protons se repoussent par  la force électromagnétique en  raison de leur charge positive. Ces deux forces se font concurrence, conduisant à diverses stabilités des noyaux. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment  des noyaux stables . Les neutrons stabilisent le noyau , car ils s’attirent les uns les autres et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. En conséquence, à mesure que le nombre de protons augmente,  un rapport croissant des neutrons aux protons est nécessaire pour former un noyau stable. S’il y en a trop (les neutrons obéissent également au principe d’exclusion de Pauli ) ou trop peu de neutrons pour un nombre donné de protons, le noyau résultant n’est pas stable et subit une  décroissance radioactive . Les isotopes instables se  désintègrent par diverses voies de désintégration radioactive, le plus souvent la désintégration alpha, la désintégration bêta ou la capture d’électrons. De nombreux autres types rares de désintégration, tels que la fission spontanée ou l’émission de neutrons sont connus.

Le  principe d’exclusion de Pauli  influence également l’  énergie critique  des  noyaux fissiles  et  fissiles . Par exemple, les actinides avec un nombre de neutrons impair sont généralement fissiles (fissiles avec des neutrons lents) tandis que les actinides avec un nombre de neutrons pair ne sont généralement pas fissiles (mais sont fissiles avec des neutrons rapides). Les noyaux lourds avec un nombre pair de protons et un nombre pair de neutrons sont (en raison du principe d’exclusion de Pauli) très stables grâce à l’apparition de «spin jumelé». En revanche, les noyaux avec un nombre impair de protons et de neutrons sont pour la plupart instables.

Nombre magique de protons et de neutrons

Un nombre magique est un nombre de nucléons dans un noyau , ce qui correspond à des coquilles complètes dans le noyau atomique. Les noyaux atomiques constitués d’un tel nombre magique de nucléons ont une énergie de liaison moyenne par nucléon plus élevée que ce à quoi on pourrait s’attendre sur la base de prédictions telles que la formule de masse de von Weizsaecker (également appelée formule de masse semi-empirique – SEMF ) et sont donc plus stables contre la décroissance nucléaire. Les nombres magiques sont prédits par le modèle de la coque nucléaireet sont prouvées par des observations qui ont montré qu’il y a des discontinuités soudaines dans les énergies de séparation des protons et neutrons à des valeurs spécifiques de Z et N. Celles-ci correspondent à la fermeture de coques (ou sous-coques). Les noyaux avec des coquilles fermées sont plus étroitement liés que le nombre supérieur suivant. La fermeture des coquilles se produit à Z ou N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. On constate que les noyaux avec un nombre pair de protons et de neutrons sont plus stables que ceux avec des nombres impairs. Les noyaux qui ont à la fois un nombre de neutrons et un nombre de protons égaux à l’un des nombres magiques peuvent être appelés « doublement magiques » et se révèlent particulièrement stables.Il existe d’autres propriétés spéciales des noyaux, qui ont un nombre magique de nucléons:

1. Abondance plus élevée dans la nature. Par exemple, l’hélium-4 fait partie des noyaux les plus abondants (et stables) de l’univers.
2. Les éléments stables à la fin de la série de désintégration ont tous un «nombre magique» de neutrons ou de protons. Les noyaux He-4, O-16 et Pb-208 (82 protons et 126 neutrons) qui contiennent des nombres magiques de neutrons et de protons sont particulièrement stables. La stabilité relative de ces noyaux rappelle celle des atomes de gaz inerte (coquilles d’électrons fermées).
3. Les noyaux avec N = nombre magique ont des sections efficaces d’absorption des neutrons beaucoup plus faibles que les isotopes environnants.
4. Ces noyaux semblent être de forme parfaitement sphérique; ils n’ont aucun moment électrique quadripolaire.
5. Les noyaux des nombres magiques ont une première énergie d’excitation plus élevée.

Noyaux instables – Modes de désintégration

La désintégration nucléaire ( désintégration radioactive) se produit lorsqu’un atome instable perd de l’énergie en émettant un rayonnement ionisant . La désintégration radioactive est un processus aléatoire  au niveau d’atomes uniques, en ce sens que, selon la théorie quantique, il est impossible de prédire quand un atome particulier va se désintégrer. Pendant la désintégration radioactive, un noyau instable se décompose spontanément et aléatoirement pour former un noyau différent (ou un état énergétique différent – désintégration gamma), dégageant un rayonnement sous forme de particules atomiques ou de rayons de haute énergie. Cette décroissance se produit à un taux constant et prévisible qui est appelé demi-vie. Un noyau stable ne subira pas ce type de désintégration et n’est donc pas radioactif. Il existe de nombreux modes de désintégration radioactive:

• Radioactivité alpha . La désintégration alpha est l’émission de particules alpha (noyaux d’hélium). Les particules alpha se composent de deux protons et de deux neutrons liés ensemble en une particule identique à un noyau d’hélium. En raison de sa très grande masse (plus de 7 000 fois la masse de la particule bêta) et de sa charge, il ionise le matériau lourd et a une très courte portée .
• Radioactivité bêta . La désintégration bêta est l’émission de particules bêta . Les particules bêta sont des électrons ou des positons à haute énergie et à grande vitesse émis par certains types de noyaux radioactifs tels que le potassium-40. Les particules bêta ont une plus grande plage de pénétration que les particules alpha, mais encore beaucoup moins que les rayons gamma. Les particules bêta émises sont une forme de rayonnement ionisant également connu sous le nom de rayons bêta. La production de particules bêta est appelée désintégration bêta.
• Radioactivité gamma . La radioactivité gamma est constituée de rayons gamma. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques (photons de haute énergie) de très haute fréquence et de haute énergie. Ils sont produits par la désintégration des noyaux lors de leur transition d’un état de haute énergie à un état inférieur appelé décroissance gamma. La plupart des réactions nucléaires s’accompagnent d’émissions gamma.
• Emission de neutrons . L’émission de neutrons est un type de désintégration radioactive de noyaux contenant des neutrons en excès (en particulier des produits de fission), dans lequel un neutron est simplement éjecté du noyau. Ce type de rayonnement joue un rôle clé dans le contrôle des réacteurs nucléaires , car ces neutrons sont des neutrons retardés .

Le taux de décroissance nucléaire est également mesuré en termes de  demi-vies . La demi-vie est le temps qu’il faut à un isotope donné pour perdre la moitié de sa radioactivité. Les demi-vies varient de  millionièmes de seconde pour les produits de fission hautement radioactifs  à des  milliards d’années pour les matériaux à vie longue  (comme l’ uranium naturel  ). Notez que les  courtes demi-vies s’accompagnent de grandes constantes de désintégration. Les matières radioactives à demi-vie courte sont beaucoup plus radioactives (au moment de la production) mais perdront évidemment rapidement leur radioactivité. Quelle que soit la durée ou la durée de la demi-vie, après sept demi-vies, il reste moins de 1% de l’activité initiale.

Énergie d’ionisation

L’énergie d’ionisation , également appelée potentiel d’ionisation , est l’énergie nécessaire pour retirer un électron de l’atome neutre.

Énergie X + → X ⁺ + e ^–

où X est un atome ou une molécule capable d’être ionisé, X ⁺ est cet atome ou cette molécule avec un électron retiré (ion positif) et e ^– est l’électron retiré.

Il existe une énergie d’ionisation pour chaque électron successif retiré. Les électrons qui entourent le noyau se déplacent sur des orbites assez bien définies. Certains de ces électrons sont plus étroitement liés dans l’atome que d’autres. Par exemple, seulement 7,38 eV sont nécessaires pour retirer l’électron le plus à l’extérieur d’un atome de plomb, tandis que 88 000 eV sont requis pour éliminer l’électron le plus à l’intérieur.

• L’énergie d’ionisation est la plus faible pour les métaux alcalins qui ont un seul électron à l’extérieur d’une coquille fermée.
• L’énergie d’ionisation augmente à travers une rangée sur le maximum périodique pour les gaz nobles qui ont des coquilles fermées.

Par exemple, le sodium ne nécessite que 496 kJ / mol ou 5,14 eV / atome pour l’ioniser. Par contre le néon, le gaz noble, qui le précède immédiatement dans le tableau périodique, nécessite 2081 kJ / mol ou 21,56 eV / atome.

L’énergie d’ionisation associée à l’élimination du premier électron est la plus couramment utilisée. La n e énergie d’ionisation fait référence à la quantité d’énergie requise pour retirer un électron de l’espèce avec une charge de ( n -1).

1ère énergie d’ionisation

X → X ⁺ + e ^–

2ème énergie d’ionisation

X ⁺ → X ²⁺ + e ^–

3e énergie d’ionisation

X ²⁺ → X ³⁺ + e ^–

Par exemple, seulement 7,38 eV sont nécessaires pour retirer l’électron le plus à l’extérieur d’un atome de plomb, tandis que 88 000 eV sont requis pour éliminer l’électron le plus à l’intérieur.

Electronvolt – Unité d’énergie

Electronvolt (unité: eV) . Les électronvolts sont une unité d’énergie traditionnelle, en particulier en physique atomique et nucléaire . L’électronvolt est égal à l’énergie gagnée par un seul électron lorsqu’il est accéléré par 1 volt de différence de potentiel électrique . Le travail effectué sur la charge est donné par la charge multipliée par la différence de tension, donc le travail W sur l’électron est: W = qV = (1,6 x 10 ^-19 C) x (1 J / C) = 1,6 x 10 ^-19 J . Comme il s’agit d’une très petite unité, il est plus pratique d’utiliser des multiples d’électronvolts: kilo-électronvolts (keV), méga-électronvolts (MeV), giga-électronvolts (GeV) et ainsi de suite. Depuis Albert Einstein a montré quemasse et énergie sont équivalentes et convertibles l’ une dans l’autre, l’électronvolt est également une unité de masse. Il est courant en physique des particules, où les unités de masse et d’énergie sont souvent échangées, d’exprimer la masse en unités d’eV / c ² , où c est la vitesse de la lumière dans le vide (de E = mc ² ). Par exemple, on peut dire que le proton a une masse de 938,3 MeV , bien qu’à proprement parler il devrait être de 938,3 MeV / c ² . Pour un autre exemple, une annihilation électron-positron se produit lorsqu’un électron chargé négativement et un positron chargé positivement (chacun ayant une masse de 0,511 MeV / c ²) entrer en collision. Lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils s’annihilent, entraînant la conversion complète de leur masse au repos en énergie pure (selon la formule E = mc ² ) sous la forme de deux rayons gamma (photons) de 0,511 MeV dirigés de façon opposée .

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0,511 MeV)

• 1 eV = 1,603 x ^10-19 J
• 1 eV = 3,83 x ^10-20 cal
• 1 eV = 1,52 x 10 ^-22 BTU

Exemple d’énergies dans les électronvolts

• Les neutrons thermiques sont des neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant de température 290K (17 ° C ou 62 ° F) . L’énergie la plus probable à 17 ° C (62 ° F) pour la distribution maxwellienne est de 0,025 eV (~ 2 km / s).
• L’énergie thermique d’une molécule est à température ambiante d’environ 0,04 eV .
• Environ 1 eV correspond à un photon infrarouge de longueur d’onde 1240 nm.
• Les photons de lumière visible ont des énergies comprises entre 1,65 eV (rouge) et 3,26 eV (violet).
• La première résonance dans la réaction n + ²³⁸ U est à 6,67 eV (énergie du neutron incident), ce qui correspond au premier niveau virtuel à ²³⁹ U , a une largeur totale de seulement 0,027 eV, et la durée de vie moyenne de cet état est de 2,4 × 10 à ¹⁴ s.
• L’énergie d’ionisation de l’hydrogène atomique est de 13,6 eV .
• Le carbone 14 se désintègre en azote 14 par la désintégration bêta (désintégration bêta pure). Les particules bêta émises ont une énergie maximale de 156 keV, tandis que leur énergie moyenne pondérée est de 49 keV .
• Les photons de radiographie médicale de diagnostic à haute énergie ont des énergies cinétiques d’environ 200 keV.
• Le thallium 208, qui est l’un des nucléides de la chaîne de désintégration de ²³² U , émet des rayons gamma de 2,6 MeV qui sont très énergétiques et très pénétrants.
• L’énergie cinétique typique des particules alpha provenant de la désintégration radioactive est d’environ 5 MeV . Elle est causée par le mécanisme de leur production.
• L’ énergie totale libérée dans un réacteur est d’ environ 210 MeV par fission de ²³⁵ U , répartie comme indiqué dans le tableau. Dans un réacteur, l’énergie récupérable moyenne par fission est d’ environ 200 MeV , soit l’énergie totale moins l’énergie de l’énergie des antineutrinos qui sont rayonnés.
• Le rayon cosmique peut avoir des énergies de 1 MeV – 1000 TeV .

L’eau comme protection contre les radiations gamma

En bref, un blindage efficace du rayonnement gamma est dans la plupart des cas basé sur l’utilisation de matériaux ayant les deux propriétés suivantes:

• haute densité de matériau.
• nombre atomique élevé de matériaux (matériaux à forte teneur en Z)

Bien que l’eau ne soit ni à haute densité ni à forte teneur en Z , elle est couramment utilisée comme écran gamma. L’eau assure une protection contre les radiations des assemblages combustibles dans une piscine de combustible usé pendant le stockage ou pendant les transports depuis et vers le cœur du réacteur . Bien que l’eau soit un matériau à faible densité et à faible teneur en Z, elle est couramment utilisée dans les centrales nucléaires, car ces inconvénients peuvent être compensés par une épaisseur accrue.

Demi couche de valeur d’eau

La couche de demi-valeur exprime l’épaisseur du matériau absorbant nécessaire pour réduire l’intensité du rayonnement incident d’un facteur deux .

Tableau des demi-couches de valeur (en cm) pour différents matériaux à des énergies de rayons gamma de 100, 200 et 500 keV.

L’eau comme blindage neutronique

L’eau en raison de la teneur élevée en hydrogène et de la disponibilité est un blindage neutronique efficace et commun . Cependant, en raison du faible nombre atomique d’hydrogène et d’oxygène, l’eau n’est pas un bouclier acceptable contre les rayons gamma. D’autre part, dans certains cas, cet inconvénient (faible densité) peut être compensé par une épaisseur élevée du bouclier étanche. Dans le cas des neutrons, l’eau modère parfaitement les neutrons, mais avec l’absorption des neutrons par le noyau d’hydrogène, des rayons gamma secondaires à haute énergie sont produits. Ces rayons gamma pénètrent fortement dans la matière et peuvent donc augmenter les exigences sur l’épaisseur du bouclier d’eau. Ajout d’un  acide borique peut aider à résoudre ce problème (absorption de neutrons sur les noyaux de bore sans émission gamma forte), mais entraîne un autre problème de corrosion des matériaux de construction.

Voir aussi: Blindage des neutrons